CN107592082B - 一种双模双频二次电流复用低噪声放大器 - Google Patents

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本发明公开了一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，包括：电阻反馈自偏置电流复用输入级放大电路，将输入射频信号进行放大；输出级放大电路，将输入射频信号进行二次放大；增益调节模块，实现DC电流分离从而控制输出NMOS管的DC电流以改变输出级放大电路的增益、控制增益高低模式；频段调节模块，通过改变变容二极管电容控制电压的高低以改变变容二极管的容值大小并与反馈电容串联，从而改变输入匹配网络的电容大小实现不同频带输入匹配，通过数字控制开关开启关闭以改变第二负载电容接入与否而改变输出匹配网络电容大小；控制电压模块，在选择信号的控制下选择输出不同电压分别控制增益调节模块和频段调节模块实现增益选择和频段选择。

Description

一种双模双频二次电流复用低噪声放大器
技术领域
本发明涉及一种低噪声放大器，特别是涉及一种双模双频二次电流复用低噪声放大器。
背景技术
LNA作为射频接收机第一个模块，其噪声性能NF对接收系统灵敏度至关重要，需要优化设计。另外，随着通信技术发展，要求射频器件支持多模多频低功耗应用，以节省PCB空间，降低成本。
图1-图3为三种传统LNA(Low Noise Amplifier，低噪声放大器)的结构示意图。图1所示LNA的输入级放大电路由输入隔直电容Cg、偏置电感Lg、补偿电容Cex、源极负反馈电感Ls和输入NMOS管Min组成，偏置电感Lg连接偏置电压Vb，在给输入NMOS管Min提供偏置电压的基础上还与输入隔直电容Cg和补偿电容Cex形成输入匹配网络，源极负反馈电感Ls主要用于完成窄带噪声功率匹配，输入NMOS管Min的漏极输出连接至输出级放大电路的输入端即输出NMOS管Mo的源极，偏置电阻Rb、输出隔直电容Co、负载电感Ld、负载电容Cd和输出NMOS管Mo组成输出级放大电路，负载电感Ld、负载电容Cd组成窄带谐振网络，偏置电阻Rb由电源Vdd连接至输出NMOS管Mo的栅极，用于给输出NMOS管Mo提供偏置电压；图2所示LNA的输入级放大电路由输入隔直电容Cg、输入电感Lg、偏置电阻R1、第一负载电感L1、级间耦合电容C、源极负反馈电感Ls和输入NMOS管Min组成，偏置电阻R1由电源Vdd连接至输入电感Lg后再连接至输入NMOS管Min的栅极以给输入NMOS管Min提供偏置电压，输入隔直电容Cg和输入电感Lg形成输入匹配网络，源极负反馈电感Ls主要用于完成窄带噪声功率匹配，第一负载电感L1连接至输出级放大电路的输出NMOS管Mo的源极并经交流接地电容Cgnd交流接地，输入NMOS管Min的漏极输出通过级间隔直电容C连接至输出级放大电路的输入端即输出NMOS管Mo的栅极，偏置电阻R2、输出隔直电容Co、负载电感Lo、交流接地电容Cgnd和输出NMOS管Mo组成输出级放大电路，负载电感Lo由电源Vdd连接至输出NMOS管Mo的漏极并与输出隔直电容Co组成窄带谐振网络，偏置电阻R2由电源Vdd连接至输出NMOS管Mo的栅极，用于给输出NMOS管Mo提供偏置电压，交流接地电容Cgnd由输出NMOS管Mo的源极连接至地以提供交流短路点；图3的LNA为电流复用结构，NMOS管Minn和PMOS管Minp偏置电流复用，输入隔直电容Cg和输入电感Lg形成输入匹配网络以将输入信号RFin连接至NMOS管Minn和PMOS管Minp的栅极，源极负反馈电感Ls主要用于完成窄带噪声功率匹配，反馈电阻Rf用于提供直流偏置和负反馈，NMOS管Minn和PMOS管Minp的漏极经输出隔直电容Co输出经放大的射频信号RFout。
现有技术的LNA均采用了源极电感负反馈，属于窄带噪声功率匹配，虽然采用了电流复用，但是增益有限且固定，输入输出匹配网络均为窄带匹配，不适于多模多频应用。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，以通过采用双电流复用降低功耗优化噪声与增益。
本发明之另一目的在于提供一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，可实现高增益及低增益模式，增益可以控制，适用于不同模式对增益要求不同需求。
本发明之再一目的在于提供一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，其通过数字控制，调节匹配电路元件，可以工作两个不同工作频带。
为达上述及其它目的，本发明提出一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，包括：
电阻反馈自偏置电流复用输入级放大电路，用于将输入射频信号进行放大；
输出级放大电路，用于将所述输入射频信号进行二次放大，输入级与输出级电流复用共享偏置电流，实现低功耗高增益；
增益调节模块，用于实现DC电流分离从而控制输出NMOS管的DC电流以改变所述输出级放大电路的增益、控制增益的高低模式；
频段调节模块，用于通过改变变容二极管电容控制电压的高低以改变变容二极管的容值大小并与反馈电容串联，从而改变输入匹配网络的电容大小，实现不同频带输入匹配，并通过数字控制开关开启关闭以改变第二负载电容接入与否而改变输出匹配网络电容大小，实现不同频带输出匹配；
控制电压模块，用于在选择信号的控制下选择输出不同电压分别控制所述增益调节模块和所述频段调节模块以实现增益选择和频段选择。
进一步地，所述电阻反馈自偏置电流复用输入级放大电路包括输入隔直电容、输入电感、第一补偿电容、源极负反馈电感、第一衬底电阻、反馈电阻、第二补偿电容、第二衬底电阻以及输入NMOS管和输入PMOS管。
进一步地，所述输入射频信号经所述输入隔直电容连接至所述输入电感之一端，所述输入电感之另一端连接至所述输入NMOS管的栅极、第一补偿电容的一端、所述频段调节模块、所述第二补偿电容的一端、所述反馈电阻之一端、所述输入PMOS管的栅极，所述第一补偿电容的另一端连接至所述输入NMOS管的源极和所述源极负反馈电感的一端、所述第一衬底电阻的一端，所述源极负反馈电感的另一端接地，第一衬底电阻的另一端接所述输入NMOS管的体端，所述第二补偿电容的另一端连接至所述输入PMOS管的源极、第二衬底电阻的一端、所述输出级放大电路与所述增益调节模块，所述第二衬底电阻的另一端接所述输入PMOS管的体端。
进一步地，所述输出级放大电路包括级间耦合电容、交流短路电容、第一偏置电阻、输出隔直电容、负载电感、第一负载电容和输出NMOS管。
进一步地，所述输出NMOS管的源极连接所述所述第二补偿电容、交流短路电容的一端，所述交流短路电容另一端接地，所述输出NMOS管的栅极通过所述级间耦合电容连接所述输入PMOS管的漏极，所述输出NMOS管的漏极与增益调节模块、频段调节模块、所述输出隔直电容的一端、负载电感的一端、第一负载电容的一端相连，所述输出隔直电容的另一端即射频信号输出端，所述负载电感的另一端、第一负载电容的另一端连接至电源。
进一步地，所述增益调节模块包括第二偏置电阻和增益控制NMOS管。
进一步地，所述增益控制NMOS管的源极连接所述第二补偿电容、所述输入PMOS管的源极、所述交流短路电容、所述第二衬底电阻的、所述输出NMOS管的源极，栅极经所述第二偏置电阻连接至所述控制电压模块，漏极连接所述输出NMOS管的漏极、所述输出隔直电容、负载电感、所述第一负载电容以及所述频段调节模块。
进一步地，所述频段调节模块包括第一频段调节电路和第二频段调节电路，电路反馈电容、变容二极管电容、第一控制电阻组成第一频段调节电路，用于通过改变变容二极管电容控制电压的高低以改变变容二极管的容值大小并与反馈电容串联，从而改变输入匹配网络的电容大小，实现不同频带输入匹配，开关、第二负载电容、第二控制电阻组成第二频段调节电路，用于通过数字控制开关开启关闭以改变第二负载电容接入与否而改变输出匹配网络电容大小，实现不同频带输出匹配。
进一步地，所述反馈电容的一端连接所述输入电感、所述输入NMOS管的栅极、第一补偿电容、反馈电容、第二补偿电容、反馈电阻以及输入PMOS管的栅极，所述反馈电容另一端连接至所述变容二极管电容的阴极和第一控制电阻的一端，第一控制电阻的另一端连接至所述控制电压模块，所述变容二极管电容阳极连接反馈电阻、输入NMOS管的漏极、输入PMOS管的漏极和级间耦合电容，所述开关的输入端连接至第二负载电容的一端，所述开关的控制端经所述第二控制电阻连接至所述控制电压模块，所述开关的输出端连接所述输出NMOS管的漏极、所述增益控制NMOS管的漏极、输出隔直电容、负载电感、第一负载电容。
进一步地，所述低噪声放大器还包括电源滤波电容，跨接在电源和地之间，用于电源滤波。
与现有技术相比，本发明一种双模双频二次电流复用低噪声放大器实现了一种支持双模双频应用的低功耗LNA电路，其工作频带可调，增益可控，有助于降低射频系统成本。
附图说明
图1-图3为三种传统LNA的结构示意图；
图4为本发明一种双模双频二次电流复用低噪声放大器的结构示意图；
图5为本发明具体实施例的增益仿真分析图；
图6为本发明具体实施例的匹配仿真分析图；
图7为本发明具体实施例的噪声仿真分析。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
图4为本发明一种双模双频二次电流复用低噪声放大器的结构示意图。如图4所示，本发明一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，包括：电阻反馈自偏置电流复用输入级放大电路10、输出级放大电路20、增益调节模块30、频段调节模块40、控制电压模块50以及电源滤波电容Cgnd。
其中电阻反馈自偏置电流复用输入级放大电路10由输入隔直电容Cg、输入电感Lg、第一补偿电容Cex1、源极负反馈电感Ls、第一衬底电阻Rbb1、反馈电阻Rf、第二补偿电容Cex2、第二衬底电阻Rbb2以及输入NMOS管Minn和输入PMOS管Minp组成，用于将输入射频信号RFin进行放大；输出级放大电路20由级间耦合电容Cc、交流短路电容Cac、第一偏置电阻Rb1、输出隔直电容Co、负载电感Ld、第一负载电容Cd和输出NMOS管Mo1组成，用于将射频信号进行二次放大；增益调节模块30由第二偏置电阻Rb2和增益控制NMOS管Mo2组成，用于实现DC电流分离从而控制输出NMOS管Mo1的DC电流以改变输出级放大电路的增益、控制增益的高低模式；频段调节模块40由第一频段调节电路和第二频段调节电路组成，反馈电容Cf、变容二极管电容Cv、第一控制电阻Rc1组成第一频段调节电路，用于通过改变变容二极管电容控制电压的高低以改变变容二极管Cv的容值大小并与反馈电容Cf串联，从而改变输入匹配网络的电容大小，实现不同频带输入匹配，开关SW、第二负载电容Cd2、第二控制电阻Rc2组成第二频段调节电路，用于通过数字控制开关SW开启关闭以改变Cd2接入与否而改变输出匹配网络电容大小，实现不同频带输出匹配；控制电压模块50为通用电路，用于在选择信号A[1:0]的控制下选择输出不同电压分别控制增益调节模块30和频段调节模块40以实现增益选择和频段选择；电源滤波电容Cgnd为一个或多个电容，用于电源滤波。
输入射频信号RFin经输入隔直电容Cg连接至输入电感Lg之一端，输入电感Lg之另一端连接至输入NMOS管Minn的栅极、第一补偿电容Cex1的一端、反馈电容Cf之一端、第二补偿电容Cex2的一端、反馈电阻Rf之一端、输入PMOS管Minp的栅极，第一补偿电容Cex1的另一端连接至输入NMOS管Minn的源极和源极负反馈电感Ls的一端、第一衬底电阻Rbb1的一端，源极负反馈电感Ls的另一端接地，第一衬底电阻Rbb1的另一端接输入NMOS管Minn的体端，第二补偿电容Cex2的另一端连接至输入PMOS管Minp的源极和交流短路电容Cac的一端、第二衬底电阻Rbb2的一端、输出NMOS管Mo1的源极、增益控制NMOS管Mo2的源极，交流短路电容Cac的另一端接地，第二衬底电阻Rbb2的另一端接输入PMOS管Minp的体端，反馈电容Cf之另一端连接至变容二极管电容Cv的阴极和第一控制电阻Rc1的一端，第一控制电阻Rc1的另一端连接至控制电压模块50的第一输出端，反馈电阻Rf之另一端连接至变容二极管电容Cv的阳极、输入NMOS管Minn的漏极、输入PMOS管Minp的漏极和级间耦合电容Cc的一端，级间耦合电容Cc的另一端接输出NMOS管Mo1的栅极和第一偏置电阻Rb1的一端，第一偏置电阻Rb1的另一端接电源Vdd，增益控制NMOS管Mo2的栅极经第二偏置电阻Rb2连接至控制电压模块50的第二输出端，输出NMOS管Mo1的漏极与增益控制NMOS管Mo2的漏极、输出隔直电容Co的一端、负载电感Ld的一端、第一负载电容Cd的一端、开关SW的输出端相连，开关SW的输入端连接至第二负载电容Cd2的一端，第二负载电容Cd2的另一端、负载电感Ld的另一端、第一负载电容Cd的另一端连接至电源Vdd，关SW的控制端经第二控制电阻Rc2连接至控制电压模块50的第三输出端，电源滤波电容Cgnd跨接在电源Vdd和地之间，控制电压模块50的输入为2位(bit)选择信号A[1:0]，输出隔直电容Co的另一端即射频信号输出端RFout。
图5为本发明具体实施例的增益仿真分析图，图6为本发明具体实施例的匹配仿真分析图，图7为本发明具体实施例的噪声仿真分析。由仿真图可知本发明实现了双模双频应用，在不同增益模式下及不同频带下均获得良好阻抗匹配及增益。由图5和图6可知，发明LNA可双频工作于1.8GHz及2.4GHz中心频带，对应的高增益分别为21.4dB(左侧高峰点)及20.1dB(右侧高峰点)，对应的低增益分别为12.9dB(左侧低峰点)及11.7dB(右侧低峰点)，高低增益模式增益差为8.45dB；工作于1.8GHz时S11为-32dB(左侧谷点)，工作于2.4GHz时S11为-24dB(右侧谷点)，输入匹配良好。不同模式频带工作的噪声分析如图7所示：1.8GHz高低增益模式下噪声系数NF分别为1.2dB及1.6dB；2.4GHz高低增益模式下噪声系数NF分别为1.5dB及2.0dB。
综上所述，本发明一种双模双频二次电流复用低噪声放大器实现了一种支持双模双频应用的低功耗LNA电路，其工作频带可调，增益可控，有助于降低射频系统成本。
本发明具有如下优点：
1、输入级Minn与Minp电阻反馈自偏置电流复用；同时输入输出级电流复用，降低了功耗并优化了噪声与增益。
2、双模：通过数字控制增益控制NMOS管Mo2的开启关闭，实现DC电流分离从而控制输出NMOS管Mo1的DC电流，而改变输出级输出NMOS管Mo1的增益，控制增益的高低模式
3、双频：输入通过数字控制变容二极管电容Cv大小与Cf串联，改变输入匹配网络电容大小，实现不同频带输入匹配；输出通过数字控制开关SW开启关闭改变Cd2接入与否而改变输出匹配网络电容大小，实现不同频带输出匹配。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (8)

1.一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，包括：
电阻反馈自偏置电流复用输入级放大电路，用于将输入射频信号进行放大；
输出级放大电路，用于将所述输入射频信号进行二次放大，输入级与输出级电流复用共享偏置电流，实现低功耗高增益；所述输出级放大电路包括级间耦合电容、交流短路电容、第一偏置电阻、输出隔直电容、负载电感、第一负载电容和输出NMOS管；
增益调节模块，用于实现DC电流分离从而控制输出NMOS管的DC电流以改变所述输出级放大电路的增益、控制增益的高低模式；所述增益调节模块包括第二偏置电阻和增益控制NMOS管；
频段调节模块，用于通过改变变容二极管电容控制电压的高低以改变变容二极管的容值大小并与反馈电容串联，从而改变输入匹配网络的电容大小，实现不同频带输入匹配，并通过数字控制开关开启关闭以改变第二负载电容接入与否而改变输出匹配网络电容大小，实现不同频带输出匹配；
控制电压模块，用于在选择信号的控制下选择输出不同电压分别控制所述增益调节模块和所述频段调节模块以实现增益选择和频段选择。
2.如权利要求1所述的一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述电阻反馈自偏置电流复用输入级放大电路包括输入隔直电容、输入电感、第一补偿电容、源极负反馈电感、第一衬底电阻、反馈电阻、第二补偿电容、第二衬底电阻以及输入NMOS管和输入PMOS管。
3.如权利要求2所述的一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述输入射频信号经所述输入隔直电容连接至所述输入电感之一端，所述输入电感之另一端连接至所述输入NMOS管的栅极、第一补偿电容的一端、所述频段调节模块、所述第二补偿电容的一端、所述反馈电阻之一端、所述输入PMOS管的栅极，所述第一补偿电容的另一端连接至所述输入NMOS管的源极和所述源极负反馈电感的一端、所述第一衬底电阻的一端，所述源极负反馈电感的另一端接地，第一衬底电阻的另一端接所述输入NMOS管的体端，所述第二补偿电容的另一端连接至所述输入PMOS管的源极、第二衬底电阻的一端、所述输出级放大电路与所述增益调节模块，所述第二衬底电阻的另一端接所述输入PMOS管的体端。
4.如权利要求3所述的一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述输出NMOS管的源极连接所述第二补偿电容、交流短路电容的一端，所述交流短路电容另一端接地，所述输出NMOS管的栅极通过所述级间耦合电容连接所述输入PMOS管的漏极，所述输出NMOS管的漏极与增益调节模块、频段调节模块、所述输出隔直电容的一端、负载电感的一端、第一负载电容的一端相连，所述输出隔直电容的另一端即射频信号输出端，所述负载电感的另一端、第一负载电容的另一端连接至电源。
5.如权利要求4所述的一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述增益控制NMOS管的源极连接所述第二补偿电容、所述输入PMOS管的源极、所述交流短路电容、所述第二衬底电阻的、所述输出NMOS管的源极，栅极经所述第二偏置电阻连接至所述控制电压模块，漏极连接所述输出NMOS管的漏极、所述输出隔直电容、负载电感、所述第一负载电容以及所述频段调节模块。
6.如权利要求5所述的一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述频段调节模块包括第一频段调节电路和第二频段调节电路，反馈电容、变容二极管电容、第一控制电阻组成第一频段调节电路，用于通过改变变容二极管电容控制电压的高低以改变变容二极管的容值大小并与反馈电容串联，从而改变输入匹配网络的电容大小，实现不同频带输入匹配，开关、第二负载电容、第二控制电阻组成第二频段调节电路，用于通过数字控制开关开启关闭以改变第二负载电容接入与否而改变输出匹配网络电容大小，实现不同频带输出匹配。
7.如权利要求6所述的一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述反馈电容的一端连接所述输入电感、所述输入NMOS管的栅极、第一补偿电容、反馈电容、第二补偿电容、反馈电阻以及输入PMOS管的栅极，所述反馈电容另一端连接至所述变容二极管电容的阴极和第一控制电阻的一端，第一控制电阻的另一端连接至所述控制电压模块，所述变容二极管电容阳极连接反馈电阻、输入NMOS管的漏极、输入PMOS管的漏极和级间耦合电容，所述开关的输入端连接至第二负载电容的一端，所述开关的控制端经所述第二控制电阻连接至所述控制电压模块，所述开关的输出端连接所述输出NMOS管的漏极、所述增益控制NMOS管的漏极、输出隔直电容、负载电感、第一负载电容。
8.如权利要求7所述的一种双模双频二次电流复用低噪声放大器，其特征在于：所述低噪声放大器还包括电源滤波电容，跨接在电源和地之间，用于电源滤波。
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